Ejercicios — Cálculo Diferencial

Resolvé cada ejercicio en papel antes de mirar la solución. Cálculo se aprende haciendo, no leyendo.


Cap. 1 — Límites

1.1 — Límites directos (básico)

Calculá:

a) limx2(3x2x+1)\lim_{x \to 2} (3x^2 - x + 1)

b) limx0x2+3xx\lim_{x \to 0} \dfrac{x^2 + 3x}{x}

c) limx1x21x1\lim_{x \to 1} \dfrac{x^2 - 1}{x - 1}

✅ Solución

a) Sustitución directa: 3(4)2+1=113(4) - 2 + 1 = 11.

b) Indeterminación 0/00/0. Factorizá: x(x+3)x=x+3\frac{x(x+3)}{x} = x + 3. Límite = 33.

c) Indeterminación 0/00/0. Factorizá: (x1)(x+1)x1=x+1\frac{(x-1)(x+1)}{x-1} = x + 1. Límite = 22.

1.2 — Límites laterales (intermedio)

Sea f(x)={x2+1si x<13x1si x1f(x) = \begin{cases} x^2 + 1 & \text{si } x < 1 \ 3x - 1 & \text{si } x \geq 1 \end{cases}

¿Existe limx1f(x)\lim_{x \to 1} f(x)?

✅ Solución

limx1f(x)=12+1=2\lim_{x \to 1^-} f(x) = 1^2 + 1 = 2. limx1+f(x)=3(1)1=2\lim_{x \to 1^+} f(x) = 3(1) - 1 = 2.

Coinciden, entonces el límite existe y vale 22.

(Si no coincidieran, el límite no existiría aunque la función esté definida en x=1x=1.)

1.3 — Indeterminación con raíz (avanzado)

Calculá limx0x+11x\lim_{x \to 0} \dfrac{\sqrt{x+1} - 1}{x}.

💡 Pista

Multiplicá arriba y abajo por el conjugado x+1+1\sqrt{x+1} + 1.

✅ Solución
(x+11)(x+1+1)x(x+1+1)=(x+1)1x(x+1+1)=1x+1+1\frac{(\sqrt{x+1} - 1)(\sqrt{x+1} + 1)}{x(\sqrt{x+1} + 1)} = \frac{(x+1) - 1}{x(\sqrt{x+1} + 1)} = \frac{1}{\sqrt{x+1} + 1}

Tomando límite: 11+1=12\frac{1}{\sqrt{1} + 1} = \frac{1}{2}.


Cap. 2 — Continuidad

2.1 — ¿Es continua? (básico)

¿Es f(x)=x29x3f(x) = \dfrac{x^2 - 9}{x - 3} continua en x=3x = 3? Si no lo es, ¿qué tipo de discontinuidad?

✅ Solución

f(3)f(3) no está definida (división por 0). limx3(x3)(x+3)x3=6\lim_{x \to 3} \frac{(x-3)(x+3)}{x-3} = 6.

Como el límite existe pero f(3)f(3) no, es discontinuidad evitable (removable). Se puede definir f(3)=6f(3) = 6 y queda continua.


Cap. 3 — La derivada

3.1 — Derivada por definición (intermedio)

Usando la definición f(x)=limh0f(x+h)f(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \dfrac{f(x+h) - f(x)}{h}, calculá la derivada de f(x)=x23xf(x) = x^2 - 3x.

✅ Solución
f(x)=limh0(x+h)23(x+h)(x23x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{(x+h)^2 - 3(x+h) - (x^2 - 3x)}{h}
=limh0x2+2xh+h23x3hx2+3xh=limh02xh+h23hh= \lim_{h \to 0} \frac{x^2 + 2xh + h^2 - 3x - 3h - x^2 + 3x}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{2xh + h^2 - 3h}{h}
=limh0(2x+h3)=2x3= \lim_{h \to 0} (2x + h - 3) = 2x - 3

Verificación con regla: ddx(x23x)=2x3\frac{d}{dx}(x^2 - 3x) = 2x - 3 ✓.


Cap. 4 — Reglas de derivación

4.1 — Regla del producto (básico)

Derivá f(x)=x3sin(x)f(x) = x^3 \sin(x).

✅ Solución

f(x)=3x2sin(x)+x3cos(x)f'(x) = 3x^2 \sin(x) + x^3 \cos(x).

4.2 — Regla del cociente (intermedio)

Derivá f(x)=x2+1x1f(x) = \dfrac{x^2 + 1}{x - 1}.

✅ Solución
f(x)=(2x)(x1)(x2+1)(1)(x1)2=2x22xx21(x1)2=x22x1(x1)2f'(x) = \frac{(2x)(x-1) - (x^2+1)(1)}{(x-1)^2} = \frac{2x^2 - 2x - x^2 - 1}{(x-1)^2} = \frac{x^2 - 2x - 1}{(x-1)^2}

4.3 — Regla de la cadena (intermedio)

Derivá f(x)=sin(x2+1)f(x) = \sin(x^2 + 1) y g(x)=(3x21)5g(x) = (3x^2 - 1)^5.

✅ Solución

f(x)=cos(x2+1)2x=2xcos(x2+1)f'(x) = \cos(x^2 + 1) \cdot 2x = 2x \cos(x^2 + 1).

g(x)=5(3x21)46x=30x(3x21)4g'(x) = 5(3x^2 - 1)^4 \cdot 6x = 30x(3x^2 - 1)^4.

4.4 — Cadena con dos niveles (avanzado)

Derivá h(x)=sin(2x)h(x) = \sqrt{\sin(2x)}.

✅ Solución

Pensar en h=u1/2h = u^{1/2} con u=sin(2x)u = \sin(2x).

h(x)=12(sin(2x))1/2cos(2x)2=cos(2x)sin(2x)h'(x) = \frac{1}{2}(\sin(2x))^{-1/2} \cdot \cos(2x) \cdot 2 = \frac{\cos(2x)}{\sqrt{\sin(2x)}}.


Cap. 5 — Aplicaciones

5.1 — Recta tangente (básico)

Encontrá la ecuación de la recta tangente a y=x2y = x^2 en x=3x = 3.

✅ Solución

Punto: (3,9)(3, 9). Pendiente: y(3)=23=6y'(3) = 2 \cdot 3 = 6. Recta: y9=6(x3)y=6x9y - 9 = 6(x - 3) \Rightarrow y = 6x - 9.

5.2 — Optimización (intermedio)

Una caja sin tapa de base cuadrada va a tener volumen V=32V = 32 m³. ¿Qué dimensiones minimizan el material usado?

💡 Pista

Variables: lado xx, altura hh. Restricción: x2h=32x^2 h = 32. A minimizar: área A=x2+4xhA = x^2 + 4xh.

✅ Solución

De x2h=32h=32/x2x^2 h = 32 \Rightarrow h = 32/x^2.

A(x)=x2+4x32x2=x2+128xA(x) = x^2 + 4x \cdot \frac{32}{x^2} = x^2 + \frac{128}{x}.

A(x)=2x128x2=02x3=128x=4A'(x) = 2x - \frac{128}{x^2} = 0 \Rightarrow 2x^3 = 128 \Rightarrow x = 4 m, h=32/16=2h = 32/16 = 2 m.

Verificación: A(x)=2+256/x3>0A''(x) = 2 + 256/x^3 > 0, confirma mínimo. Área mínima: 16+32=4816 + 32 = 48 m².

5.3 — Razones de cambio relacionadas (avanzado)

Una escalera de 5 m está apoyada contra una pared. La base se aleja a 0.3 m/s. ¿A qué velocidad cae la cima cuando la base está a 3 m de la pared?

✅ Solución

Sea xx = distancia base-pared, yy = altura cima-suelo. Pitágoras: x2+y2=25x^2 + y^2 = 25.

Derivando respecto a tt: 2xx˙+2yy˙=0y˙=xx˙y2x \dot x + 2y \dot y = 0 \Rightarrow \dot y = -\frac{x \dot x}{y}.

Cuando x=3x = 3, y=4y = 4. Con x˙=0.3\dot x = 0.3 m/s: y˙=30.34=0.225\dot y = -\frac{3 \cdot 0.3}{4} = -0.225 m/s.

Negativo = la cima baja a 22.5 cm/s.

5.4 — L'Hôpital (intermedio)

Calculá limx0sin(x)x\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin(x)}{x} y limx01cos(x)x2\lim_{x \to 0} \dfrac{1 - \cos(x)}{x^2} usando L'Hôpital.

✅ Solución

a) limsinxx\lim \frac{\sin x}{x}: indeterminación 0/00/0. Aplicando L'Hôpital: limcosx1=1\lim \frac{\cos x}{1} = 1.

b) lim1cosxx2\lim \frac{1 - \cos x}{x^2}: 0/00/0. L'Hôpital: limsinx2x\lim \frac{\sin x}{2x}, otra vez 0/00/0. L'Hôpital de nuevo: limcosx2=12\lim \frac{\cos x}{2} = \frac{1}{2}.


Reto integrador

R.1 — Optimización del precio óptimo

La demanda diaria de pupusas en función del precio es D(p)=20050pD(p) = 200 - 50p (donde pp está en USD).

a) Función de ingresos I(p)I(p). b) Precio que maximiza ingresos. c) Si los costos variables son 0.30/pupusa,funcioˊndeganancia0.30/pupusa, función de ganancia G(p)$. d) Precio que maximiza ganancia. e) ¿Por qué pganancia>pingresosp_{ganancia} > p_{ingresos}?

✅ Solución

a) I(p)=pD(p)=p(20050p)=200p50p2I(p) = p \cdot D(p) = p(200 - 50p) = 200p - 50p^2.

b) I(p)=200100p=0p=2I'(p) = 200 - 100p = 0 \Rightarrow p = 2 USD. Vende 100 pupusas, ingresa $200.

c) G(p)=I(p)0.30D(p)=200p50p20.30(20050p)=200p50p260+15p=50p2+215p60G(p) = I(p) - 0.30 D(p) = 200p - 50p^2 - 0.30(200 - 50p) = 200p - 50p^2 - 60 + 15p = -50p^2 + 215p - 60.

d) G(p)=100p+215=0p=2.15G'(p) = -100p + 215 = 0 \Rightarrow p = 2.15 USD. Ganancia: G(2.15)=171.125G(2.15) = 171.125.

e) Cuando hay costos variables, vale la pena subir un poco el precio: vendés menos cantidad pero cada unidad cubre el costo + más margen. Maximizar ingresos ignora costos; maximizar ganancia los considera.


Sugerencias y correcciones: osielquevedo@gmail.com.